高速鐵路行車低碳環(huán)保效應(yīng)分析

周新軍

（中國鐵道科學(xué)研究院 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

0 引言

交通運輸在給人類的經(jīng)濟社會帶來巨大推動作用以及為人們的出行提供極大方便的同時，也帶來了日益嚴重的能源和環(huán)境問題。很多國家已把調(diào)整和優(yōu)化交通運輸結(jié)構(gòu)作為發(fā)展低碳經(jīng)濟的一項重要內(nèi)容，其中歐盟國家表現(xiàn)得更為突出，其做法就是積極發(fā)展能耗低、污染輕的交通運輸方式，如鐵路和水運。而在鐵路的發(fā)展方向上，重點是發(fā)展高速鐵路［1］。

我國從“十五”期末以來，鐵路建設(shè)進入快速發(fā)展階段，尤其是高速鐵路成為發(fā)展的重中之重。高速鐵路不僅在緩解我國鐵路運能緊張、方便民眾出行以及拉動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展方面發(fā)揮了重大作用，而且在低碳環(huán)保領(lǐng)域也產(chǎn)生了積極和可觀的效應(yīng)。由于現(xiàn)有的文獻很少將高速鐵路行車與普通鐵路行車進行比較研究，為了改進研究上的不足，本文重點對高速鐵路行車與普通鐵路行車的低碳效應(yīng)進行比較，在此基礎(chǔ)上分析高速鐵路行車在低碳環(huán)保領(lǐng)域的優(yōu)勢。

1 高速鐵路行車與普通鐵路行車的低碳效應(yīng)比較

“低碳”的內(nèi)涵主要包括低能耗、低排放、低污染3個方面。絕大多數(shù)的研究結(jié)論已經(jīng)證明，在與其他運輸方式的比較中，鐵路的節(jié)能優(yōu)勢非常明顯。當然，也存在個別不完全一致的結(jié)論，即認為水運比鐵路節(jié)能，但近年來最新的研究成果證明了鐵路的節(jié)能效果要比水運好很多［2］。由此可以延伸的結(jié)論是，鐵路的碳排放比較低，對環(huán)境的污染程度也比較輕。

在旅客運輸中，各種交通工具的每人每公里的一氧化碳換算排放量為：公路為0.902kg，鐵路為0.109kg，公路是鐵路的8倍［3］。鐵路的噪聲污染是最低的，日本以航空運輸每千人每公里產(chǎn)生的噪聲為1，則小轎車為1，大轎車為0.2，高速鐵路列車僅為0.1。高速鐵路基本上消除了粉塵、油煙和其他廢氣污染，噪聲比高速公路低5～10dB。一架噴氣式客機平均每小時排放二氧化碳為46.8kg、一氧化碳為635kg、二氧化硫為15kg，這些物質(zhì)在大氣中要停留2年以上，是造成大面積酸雨、植被生態(tài)遭到破壞和建筑物遭受侵蝕的主要原因。因此，可以說在綜合運輸體系中，鐵路是理想的綠色環(huán)保型交通。

1.1 從技術(shù)角度比較

根據(jù)日本近年來的統(tǒng)計［4］，平均每人每公里的能耗，高速鐵路列車為569kJ，普通鐵路列車為401kJ，高速公路（公共汽車）為582kJ，飛機為2 989kJ。如果設(shè)定普通鐵路列車每人每公里的能耗為1.0，則高速鐵路列車為1.42，公共汽車為1.45，小轎車為8.5，飛機為7.44。比較高速鐵路列車與普通鐵路列車，顯然，前者單耗要高于后者，大約高出41.7%。據(jù)國內(nèi)關(guān)于高速鐵路動車組耗能的最新介紹［5］，京廣高鐵上CRH380A（L）以時速300km運行時，人均百公里能耗僅為3.64kWh，相當于客運飛機的1／12、小轎車的1／8、大型客車的1／3，但缺乏與普通鐵路列車的比較。

綜合現(xiàn)有的研究文獻表明，高速鐵路列車的單耗要高于普通鐵路列車。但是如果僅以單耗來評判高速鐵路與普通鐵路行車的低碳效果，得出的結(jié)論則缺乏全面性和客觀性。比如，步行和騎自行車是最節(jié)能和環(huán)保的出行方式，但與其他出行方式相比，顯然犧牲了效率。因此，只能有條件地提倡，而不能大范圍地引導(dǎo)。衡量一種運輸方式是否低碳，比較科學(xué)的方法是，在單耗的基礎(chǔ)上引入運輸效率、速度和時間等因素進行綜合比較分析。

為便于計算，假設(shè)普通鐵路的列車平均時速為100km／h，高速鐵路列車（動車組）平均時速為300km／h。兩條線路坡度相同，且均為直線。兩列車同時從同一車站出發(fā)，均為直達列車，即中間不停車，到達同一車站，兩站之間的距離為300km。按照這種假設(shè)，動車組3h大致可完成3個車次的運輸任務(wù)，而普通列車只能完成1個車次。如果兩車均按照最大定員運輸，動車組為600人左右，在兩車重聯(lián)的情況下最大定員為1 200人左右。普通列車最大定員為1 300人左右。那么，在3h范圍內(nèi)，動車組完成3 600人左右的運輸，而普通列車只能完成1 300人左右的運輸，動車組運輸工作量差不多是普通列車的3倍。當然，就能耗而言，動車組也是普通列車的3倍多。這個案例說明，如果以工作效率優(yōu)化為前提，那么多消耗一些能源就是必須的，尤其是在使用清潔能源的情形下應(yīng)該鼓勵多消耗?；蛘哒f，在提高能效的情況下，多消耗一些能源也是必須付出的代價。

1.2 能耗比較

如果這種觀點成立的話，就需要對高速鐵路列車和飛機的能耗進行比較。作為陸上和空中最快的交通運輸工具，高速鐵路列車和飛機具有可比性。

假設(shè)在1 000km內(nèi)，兩者從相同城市前往同一地點。高速鐵路列車大約需要3h，那么，飛機在同一時間內(nèi)可以往返一次。前述動車組最大運輸量為1 200人。如果飛機最大載客量為300人，往返一次總計為600人。那么，飛機運輸量只有動車組的1／2，而能耗卻為動車組的6倍，而且消耗的還是石油資源。顯然，無論是從效率、能耗，還是能耗品類來看，高速鐵路列車比飛機既節(jié)能環(huán)保又經(jīng)濟高效。

另外，隨著高速鐵路列車技術(shù)的不斷進步，節(jié)能效果也在不斷地得到提升。國外的一些研究數(shù)據(jù)也證明了這一點。日本鐵路出版物有關(guān)新干線的能源強度數(shù)值表明［6］，第一條新干線（零系列）要求每公里0.072kWh／座位，最高時速為220km／h。然而近期的希望號700N要求，在時速為220km／h達到每公里0.037kWh／座位，在時速為270km／h達到每公里0.049kWh／座位。因此，新干線的能源強度下降了，近期的希望號700N在擁有比原新干線更高的速度的同時，只使用了50%的能源，在提高22%的速度時，能源減少了32%。

1.3 碳排放比較

與普通鐵路行車相比，高速鐵路的最大優(yōu)勢是實現(xiàn)了全部使用電力牽引。盡管從技術(shù)角度看，普通鐵路也可以做到這一點，但是從經(jīng)濟角度以及速度與動力最佳匹配的角度就會造成資源上的過度浪費。因此，從全世界的普通鐵路看，幾乎還沒有一個國家能夠做到全部使用電力牽引［7］。那么，普通鐵路就存在內(nèi)燃機車牽引的情況，而燃油的使用就會產(chǎn)生大量的碳排放。在牽引動力結(jié)構(gòu)中，內(nèi)燃機車占比越高，碳排放也就越大。而高速鐵路由于使用電力牽引，列車在行駛過程中不產(chǎn)生直接的碳排放。

有一種觀點認為，如果從碳足跡生命周期理論來分析，用電是否產(chǎn)生碳排放，取決于電源結(jié)構(gòu)。如果是火電，那么電能消費同樣也產(chǎn)生碳排放，如果是清潔能源如風電等則不產(chǎn)生碳排放。這種觀點雖有一定的道理，但很大程度上不正確。按照碳排放足跡生命周期理論，碳排放也只是涉及煤炭采掘、運輸及發(fā)電這三個環(huán)節(jié)［8］。由于世界高速鐵路運輸主要涉及客運，因此，即便從碳排放生命周期理論來分析，高速鐵路列車的運營基本上也不產(chǎn)生碳排放。

而普通鐵路則不同。根據(jù)查閱到的數(shù)據(jù)，全世界所有鐵路的電氣化率平均比較低，截止到2000年底只有21.7%。如果剔除高速鐵路部分，普通鐵路的電氣化率還要低一些，由此可以判斷普通鐵路大部分仍然采用內(nèi)燃機牽引。由于它使用的是燃油，因此，無論是否依據(jù)碳排放生命周期理論，比起高速鐵路列車碳排放量要大很多，環(huán)保效應(yīng)也要差很多。

以我國鐵路2006年電力機車和內(nèi)燃機車單耗來測算（以下數(shù)據(jù)都折合為標煤），比較兩者的碳排放。內(nèi)燃機車單耗為34.7kg（按《綜合能耗統(tǒng)計通則》GB／T2589—2008中的燃油系數(shù)1.428 6換算），共排放CO2為34.1kg；電力機車單耗為13.5kg（按0.985系數(shù)換算），共排放CO2為14.2kg（按1.052 3系數(shù)換算）。那么，內(nèi)燃機車單耗比電力機車單耗多排放CO2為20kg。高速鐵路動車組單耗要高出普通電力機車40%，以此換算動車組的單耗CO2排放為19.9kg，比內(nèi)燃機車少排放CO2為14.2kg。從中可以看出，即便在這種情形下，高速鐵路列車也比普通鐵路列車內(nèi)燃機牽引節(jié)能減排。

1.4 環(huán)保效應(yīng)比較

上述分析說明，高速鐵路列車基本上不排放CO2，從這個角度來看，環(huán)保效應(yīng)要大大好于普通鐵路列車。另外，還需要考慮列車噪聲和排污對環(huán)境的影響。事實上高速鐵路列車對環(huán)境仍然具有一定的污染，主要是噪聲污染，高速鐵路列車比普通鐵路列車噪聲污染程度要高一些。但隨著科研技術(shù)的不斷提高，各國在高速鐵路建設(shè)中加強了對環(huán)保技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。比如，運用聲屏障技術(shù)對高速列車的噪聲進行隔離處理，最大程度地減輕對沿線居民的噪聲污染。而且由于速度的優(yōu)勢，使得噪聲在某一時空范圍的污染程度比普通鐵路列車大為降低［9］。

在污染物排放方面，高速鐵路列車相比普通鐵路列車，優(yōu)勢也非常明顯。由于高速動車組列車全部安裝了真空式集便裝置，實現(xiàn)了污物、污水集中收集和垃圾零排放。通過這些措施，收到了很好的環(huán)保效應(yīng)。當然，普通鐵路列車也可以通過技術(shù)的提高，改善污染物的排放，但由于技術(shù)和運輸組織的限制，提升的空間不會很大。

2 高速鐵路行車低碳環(huán)保效應(yīng)分析

雖然高速鐵路在我國獲得了快速發(fā)展，但起步較晚，2008年8月，我國第一條真正意義上的高速鐵路京津城際鐵路才開通運營。因此，本文選取2008年至2012年間的數(shù)據(jù)來分析高速鐵路與鐵路行業(yè)節(jié)能環(huán)保的相關(guān)性。高速鐵路取值為運營里程，國家鐵路節(jié)能指標為運輸工作量綜合單耗、運輸工作量主營單耗，環(huán)保指標值為化學(xué)需氧量排放量、二氧化硫排放量，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 高速鐵路運營里程、鐵路列車單耗及排放量1）

從表1可以看出，高速鐵路行車與單位能耗及排放量成反向關(guān)系，從另一個角度來說，高速鐵路與鐵路運輸節(jié)能環(huán)保效果成正向關(guān)系。

3 高速鐵路優(yōu)化了鐵路能耗結(jié)構(gòu)

高速鐵路由于實現(xiàn)了電力牽引，因此，高速鐵路的發(fā)展必然會帶來鐵路電氣化比重的快速提高。而且，由于高速鐵路列車的發(fā)車間隔時間短、車次密度大，極大地提高了動車組的使用效率，增加了用電量，從而對內(nèi)燃機車和燃油的使用產(chǎn)生一定的擠出效應(yīng)。這兩方面的因素疊加在一起使鐵路的能耗結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)得到了大大改善和優(yōu)化。

3.1 鐵路電氣化率快速提升

近幾年，我國鐵路電氣化率有了較大幅度的提升。2012年我國鐵路電氣化已經(jīng)突破50%，達到了52.3%。在這個過程中，高速鐵路起到了關(guān)鍵性的作用，截止到2012年底，新建的高鐵運營里程達到9 354km，居世界第一。2001～2012年電氣化鐵路運營里程變化如表2所示。

表2 2001～2012年電氣化鐵路里程變化1）

由表2顯示，從2011年到2012年我國鐵路營業(yè)里程新增了5 000km，而電氣化鐵路剛好也增加了5 000km，這說明新增的鐵路全部為電氣化鐵路。2012年高速鐵路投入運營里程為2 723km，對鐵路電氣化貢獻率為54.5%。

3.2 高速鐵路“以電代油”優(yōu)化了能耗結(jié)構(gòu)

高速鐵路的快速發(fā)展，加快了鐵路行車“以電代油”電氣化工程，從而使鐵路的能耗結(jié)構(gòu)發(fā)生了比較大的變化，油耗呈下降趨勢，電耗則呈上升趨勢。促使這種變動的因素有多方面，但根本原因在于高速鐵路的快速發(fā)展。這也是鐵路特別是高速鐵路具有的技術(shù)優(yōu)勢，其他任何交通方式都很難做到這一點。

4 高速鐵路的低碳替代效應(yīng)

高速鐵路的低碳替代效應(yīng)指的是由于高速鐵路的發(fā)展，從而對其他的運輸方式產(chǎn)生一定的擠出效應(yīng)，進而形成低碳替代效應(yīng)。在所有的運輸方式中，高速公路和航空運輸與高速鐵路具有可比性。由于高速鐵路的發(fā)展，對民航已經(jīng)形成競爭，一些中短途民航線路被迫調(diào)整或者取消。而在高速公路中，一些中長途運輸被高速鐵路所替代。比較而言，高速鐵路與民航的競爭最具有代表性。下面以它們之間的比較，來說明高速鐵路對民航形成的低碳效應(yīng)。

4.1 假設(shè)及模型

假設(shè)高速鐵路與民航共同完成中長途客運任務(wù)，那么在理論上高速鐵路對民航運輸?shù)奶娲嬖谌N情形：一是結(jié)構(gòu)性替代；二是增量替代；三是完全替代。實際生活中，增量替代和完全替代的情況一般是不存在的。

根據(jù)碳排放的計算，可得到高速鐵路與民航的碳排放表達式為：

式中：Ch為高速鐵路碳排放量；Sh為高速鐵路運輸工作量；Euh為單位運輸工作量能耗（標準煤）；r為能耗的碳排放系數(shù)。

式中：Ca為民航碳排放量；Sa為民航運輸工作量；Eua為民航單位運輸工作量能耗（標準煤）；r為能耗的碳排放系數(shù)。

那么，高速鐵路對民航低碳替代效應(yīng)表達式為：

式中：Xh→a為高速鐵路對民航運輸?shù)奶寂欧盘娲?yīng)；Sh→a為高速鐵路對民航運輸替代工作量。

從式3可以看出，Sh→a越大，高速鐵路對民航的低碳效應(yīng)越顯著。

4.2 算法舉例

由于在鐵路旅客周轉(zhuǎn)量中，目前還沒有對高速鐵路旅客周轉(zhuǎn)量進行單獨核算，因此，還不能精確計算高速鐵路運輸工作量，但可以進行粗算，即按照春運期間高鐵占整個鐵路旅客發(fā)送量的20%來計算。這里同樣取2008年至2012年的數(shù)據(jù)?？梢源致缘卣J為，高鐵旅客是從民航轉(zhuǎn)移過來的（一部分是增量，一部分是原來的），因而可以把高鐵旅客發(fā)送量視為對民航的替代量。能耗的碳排放系數(shù)r取國家發(fā)改委推薦的換算數(shù)值2.456 7，Euh和Eua分別取文獻［4］中推薦的569kJ和2 989kJ。1kg標準煤按29 288kJ計。通過計算得到表3中數(shù)據(jù)。

表3 高速鐵路對民航的低碳替代效應(yīng)1）

從表3可以看出，高速鐵路可以節(jié)約1 284.6萬t以上的標準煤，少排放3 155.8萬t以上的二氧化碳，彰顯了高速鐵路巨大的低碳效應(yīng)。

5 結(jié)論

通過引入能效等因素的比較，可以看出高速鐵路列車雖然能耗要高于普通鐵路列車，但卻實現(xiàn)了能效、環(huán)保與運輸能力的有機整合，在與其他運輸方式的比較中，使得普通鐵路原有的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢得到了進一步釋放，既滿足了現(xiàn)代社會人們出行的需求，又符合了人類生存環(huán)境的要求，實現(xiàn)了運輸與資源的可持續(xù)發(fā)展。這從另一個角度表明，在提高能效和消耗清潔能源的情形下，即便能耗高一些，也是一種值得付出的代價。

當今發(fā)達國家對新一代交通工具選擇的著眼點瞄向了對環(huán)境影響小的運輸方式，高速鐵路備受關(guān)注，已成為世界鐵路發(fā)展的根本方向，并成為發(fā)達國家尤其是那些飽受道路交通之苦的國家調(diào)整交通運輸結(jié)構(gòu)的政策取向。由于這些國家的交通規(guī)模已接近飽和或者說過剩，因此，調(diào)整的難度會非常大。我國交通運輸正處于快速發(fā)展之中，各種運輸方式競相發(fā)展，在這個過程中需要吸取西方發(fā)達國家的教訓(xùn)，及時確立起以優(yōu)先發(fā)展鐵路尤其是高速鐵路為導(dǎo)向的綜合交通運輸協(xié)調(diào)發(fā)展的方式，才能避免西方發(fā)達國家交通運輸業(yè)“先發(fā)展、后污染”的以道路運輸為主的發(fā)展模式，這對于構(gòu)建低碳交通體系、推動低碳經(jīng)濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和長遠的戰(zhàn)略意義。

［1］周新軍.歐盟低碳交通戰(zhàn)略及啟示［J］.中外能源，2012（11）：6－14.

［2］周新軍.我國鐵路能源消耗和節(jié)能現(xiàn)狀［J］.中外能源，2009（3）：87－92.

［3］李向國.高速鐵路技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［4］寧濱.高鐵：時代價值和戰(zhàn)略選擇［N］.第一財經(jīng)日報，2010－11－25.

［5］劉成.京廣高鐵能耗只相當于飛機的十二分之一［N］.經(jīng)濟日報，2012－12－27.

［6］涂海.以美國交通為例分析高速鐵路二氧化碳減排潛力［J］.科技視界，2009（9）：6－12.

［7］馮金柱.世界電氣化鐵路的發(fā)展［J］.電氣化鐵道，2001（4）：1－7.

［8］夏德建，任玉瓏，史樂峰.中國煤電能源鏈的生命周期碳排放系數(shù)計量［J］.統(tǒng)計研究，2010（8）：82－89.

［9］周新軍.高速鐵路助推中國低碳經(jīng)濟效應(yīng)［J］.中國科學(xué)院院刊，2011（6）：452－461.